CN110913400A - 一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空天地远程物联网络的资源分配方法，该方法包括：根据地面智能设备通过中继无人机将信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量最优智能设备连接方案、系统功率控制方案、中继无人机部署方案；根据所述系统资源分配方案，对空天地远程物联网络的三个子方案进行调整。本发明根据形成的资源分配问题，提出联合智能设备连接、系统功率控制、中继无人机部署的优化方法，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优资源分配方案，从而增大系统总容量。

Description

一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法和系统
技术领域
本发明涉及一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法和系统，属于网络资源分配领域。
背景技术
近年来，随着智能设备浪潮的兴起，移动互联网的概念被人们广泛关注，无人驾驶、智慧城市、智能电网等新兴技术在给人们生活带来便利的同时也对网络架构带来了很大的挑战。为了满足这些需求，一些新的网络架构和技术应运而生，物联网(Internet ofThings,IoT)就是其中之一。在IoT中，存在着大量广泛部署的智能设备及传感器，物联网不仅可以服务于人口密集区域，而且也可以为沙漠、海洋等地区提供智能设备的支撑和管理。当智能设备密集分布于很广泛的范围内，或者分布于不受地面接入网络服务的偏远地区，这种特殊情况下的物联网称为远程物联网(Internet of Remote Things,IoRT)。
卫星作为地面通讯网络的补充和延伸，是IoRT的必备配置。由于卫星具有服务可靠性高、覆盖范围广、通信容量大等其他通信方式无法比拟的优势，卫星提供的宽带互联网服务可以满足物联网中互联网连接的需求，极大地提升用户的服务质量(Quality ofService,QoS)，同时也是在自然灾害或人为灾害场景下提供连续性通信服务的重要因素，因此卫星在IoRT中的应用引发了研究学者的广泛讨论，并且已有很多学者对环境监测管理、智能电网、应急通信等IoRT场景下卫星的应用展开了深入的研讨，验证了卫星在IoRT应用中显而易见的优势，实现了在几种典型场景下的关键技术的重大突破。然而，卫星通信下的IoRT架构也面临着许多挑战，通信卫星的用户数量大、传播时延较长，难以在地面网络部署随机接入方案。由于卫星通信资源的局限性和智能设备的低功耗特性，很难实现长时间较远距离的传输。同时，由于海量智能设备的密集部署，设备间存在的较大的干扰问题。
近年来，随着无人机技术的突飞猛进，无人机在通信方面的作用日益提高。为了应对挑战并且满足设备的QoS，无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV) 是一种很有前景的通信方式。由于UAV的高移动性、低成本、部署灵活以及具有良好的视距传输特性(Line-of-Sight,LoS)，UAV可应用于物联网场景，保证通信质量的同时，其既可以协助卫星实现无缝覆盖，也可以进一步提高日益发展的IoT的信道容量。因此，业界越来越多的研究者聚焦于UAV通信系统在时延、能效、飞行轨迹及部署等方面的研究，其中绝大部分讨论的均是UAV协作地面通信网络的资源分配研究。在现有技术中，尚未出现空天地远程物联网络资源分配问题的相关技术方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空天地远程物联网络的资源分配方法和系统，该方法包括：根据地面智能设备通过中继无人机将信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量最优智能设备连接方案、系统功率控制方案、中继无人机部署方案；根据所述系统资源分配方案，对空天地远程物联网络的三个子方案进行调整。本发明根据形成的资源分配问题，提出联合智能设备连接、系统功率控制、中继无人机部署的优化方法，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优资源分配方案，从而增大系统总容量。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，包括如下步骤：
S1、地面智能设备通过中继无人机将信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；
S2、根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量的地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果；
S3、对所述地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果进行优化，获取系统总容量最优的地面智能设备最终连接关系、系统功率最终控制结果、中继无人机最终部署结果。
优选的，利用线性规划、拉格朗日对偶分解法、近似凸逼近方法，对所述地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果进行优化。
优选的，所述系统总容量目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量。
优选的，所述地面智能设备通过中继无人机至少将位置信息传递至低轨卫星。
一种基于空天地远程物联网络的资源分配系统，包括：
效用构建模块，用于根据地面智能设备、中继无人机、低轨卫星，构建系统总容量目标函数；
处理模块，用于根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果；
资源分配调整模块，用于根据所述处理模块输出的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果，对空天地远程物联网络进行调整。
优选的，所述处理模块利用线性规划、拉格朗日对偶分解法、近似凸逼近方法，获取系统总容量的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果。
优选的，所述系统总容量目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现上述基于空天地远程物联网络的资源分配方法的步骤。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明根据形成的资源分配问题，提出联合智能设备连接、系统功率控制、中继无人机部署的优化方法，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优资源分配方案，从而增大系统总容量。
附图说明
图1为本发明实施例的基于空天地远程物联网络的资源分配方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的多无人机辅助的空天地远程物联网络的系统结构示意图；
图3为本发明实施例的基于空天地远程物联网络的资源分配系统的模块组成示意图；
图4为本发明实施例的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，包括如下步骤：
S1、地面智能设备通过中继无人机至少将位置信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；所述系统总容量目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量；
S2、根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量的地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果；
S3、利用线性规划、拉格朗日对偶分解法、近似凸逼近方法，对所述地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果进行优化，获取系统总容量最优的地面智能设备最终连接关系、系统功率最终控制结果、中继无人机最终部署结果。
实施例2：
一种基于空天地远程物联网络的资源分配系统，包括：
效用构建模块，用于根据地面智能设备、中继无人机、低轨卫星，构建系统总容量目标函数；所述系统总容量目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量；
处理模块，用于根据所述系统总容量目标函数，利用线性规划、拉格朗日对偶分解法、近似凸逼近方法，获取系统总容量的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果；
资源分配调整模块，用于根据所述处理模块输出的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果，对空天地远程物联网络进行调整。
实施例3：
目前，业界越来越多的研究者聚焦于无人机通信系统在时延、能效、飞行轨迹及部署等方面的研究，其中绝大部分讨论的均是无人机协作地面通信网络的资源分配研究，对于多无人机辅助的三层网络的研究较少。因此，多无人机辅助的空天地远程物联网络系统的广泛部署具有重要意义，但是目前还缺乏足够的重视。
图1为本发明实施例提供的基于空天地远程物联网络的资源分配方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，包括：
步骤101，根据地面智能设备通过中继无人机将信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；
在本发明实施例中，图2为本发明实施例提供的多无人机辅助的空天地远程物联网络的系统结构示意图，可参考图2所示，该系统由N个智能设备，M 个无人机和一个低轨卫星组成。
进一步地，在本发明实施例中，每个智能设备都在地面固定位置上，第n 个智能设备的水平坐标为DD＝(xD,yD,0)；第m个无人机的位置坐标为 DU＝(xU,yU,hU)；LEO卫星的高度为HS。
进一步地，为了避免干扰，将每个UAV网络的信道划分为K个子信道，
Figure BDA0002268465760000051
对于每一个智能设备n都有一个功率限值
Figure BDA0002268465760000052
对于在任意子信道k中，第n个智能设备到第m个中继无人机的发射功率为
Figure BDA0002268465760000053
相应的功率限制因子为an,m,k，其中
Figure BDA0002268465760000061
Figure BDA0002268465760000062
Figure BDA0002268465760000063
同理，对于每一个中继无人机m都有一个最大发射功率限值
Figure BDA0002268465760000064
最小悬停功率限值
Figure BDA0002268465760000065
对于第m个中继无人机到低轨卫星的发射功率为
Figure BDA0002268465760000066
悬停功率为
Figure BDA0002268465760000067
其中，
Figure BDA0002268465760000068
有：
Figure BDA0002268465760000069
Figure BDA00022684657600000610
Figure BDA00022684657600000611
进一步地，基于无人机的高度、部署及安全考虑，对于任意第i个中继无人机和第j个中继无人机的限制如下：
Figure BDA00022684657600000612
Figure BDA00022684657600000613
Figure BDA00022684657600000614
Figure BDA00022684657600000615
其中，i为第一序数，j为第二序数，hm为中继无人机的实际高度，xm为中继无人机的实际水平位置横坐标，ym为中继无人机的实际水平位置纵坐标。
其中，χ2表示无人机为确保避碰的最小安全距离，单位为m；Hmin和Hmax为分别为中继无人机的最大高度和最小高度限值；xmin和xmax为中继无人机部署的水平位置横坐标限值；ymin和ymax为中继无人机部署的水平位置纵坐标限值。
进一步地，对于低轨卫星的容量限制，有：
Figure BDA0002268465760000071
其中，cn,m,k为低轨卫星的容量，
Figure BDA0002268465760000072
为低轨卫星的容量最大值。
进一步地，在本发明实施例中，结合上述各实施例，在中继无人机的辅助下，通过联合优化智能设备连接、系统功率控制、中继无人机部署，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优资源分配方案，构建系统总容量问题为：
Figure BDA0002268465760000073
s.t.
Figure BDA0002268465760000074
Figure BDA0002268465760000075
Figure BDA0002268465760000076
Figure BDA0002268465760000077
Figure BDA0002268465760000078
Figure BDA0002268465760000079
Figure BDA00022684657600000710
Figure BDA0002268465760000081
Figure BDA0002268465760000082
Figure BDA0002268465760000083
Figure BDA0002268465760000084
Figure BDA0002268465760000085
Figure BDA0002268465760000086
步骤102，根据所述系统总容量目标函数，获取总容量最优资源分配方案；
在上述实施例的基础上，所述步骤102具体包括：
将所述总容量目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量，得到约束条件松弛后的总容量目标函数；
固定中继无人机悬停位置DU，根据拉格朗日对偶分解法获得最优的功率控制和智能设备连接方案；根据得到的智能设备连接和功率控制方案，通过近似凸逼近方法获得中继无人机部署方案；再对两个模块进行迭代调整，对约束条件松弛后的系统总容量目标函数进行求解，得到总容量最优资源分配方案。
在本发明实施例中，首先固定中继无人机悬停位置DU，为了使得上述实施例中的总容量目标函数更易于处理，首先将约束条件中的二值变量an,m,k松弛为连续变量，同时，引入辅助变量
Figure BDA0002268465760000087
则约束条件松弛后的速率表达式为：
Figure BDA0002268465760000088
其中，
Figure BDA0002268465760000089
为第n个智能设备通过第k个子信道到第m个中继无人机的信道增益，
Figure BDA0002268465760000091
为第m个中继无人机到第低轨卫星的信道增益，
Figure BDA0002268465760000092
和
Figure BDA0002268465760000093
表示噪声。
则系统总容量可以表示为：
Figure BDA0002268465760000094
则问题可以转化为：
Figure BDA0002268465760000095
s.t.
Figure BDA0002268465760000096
Figure BDA0002268465760000097
Figure BDA0002268465760000098
Figure BDA0002268465760000099
Figure BDA00022684657600000910
Figure BDA00022684657600000911
Figure BDA00022684657600000912
Figure BDA00022684657600000913
Figure BDA00022684657600000914
引入拉格朗日乘子μn、νm、ωn、ξm,k、η，通过拉格朗日对偶分解法对给定的上述问题进行求解，获得最优的智能设备连接方案、系统功率控制方案，具体的闭式解公式如下：
中继无人机到卫星的发射功率闭式解为：
Figure BDA0002268465760000101
其中，
Figure BDA0002268465760000102
Figure BDA0002268465760000108
进一步地，智能设备到中继无人机的发射功率闭式解为：
Figure BDA0002268465760000103
其中，
Figure BDA0002268465760000104
Figure BDA0002268465760000105
进一步地，对于智能设备的连接变量(an,m,k)*∈[0,1]有如下条件：有
Figure BDA0002268465760000106
其中
Figure BDA0002268465760000107
代表最优用户的选择。
进一步地，通过次梯度更新方法对拉格朗日乘子进行更新使得该子问题收敛。
进一步地，通过上述获得的方案，根据近似凸逼近的方法获得中继无人机的部署DU；具体地，在本发明实施例中，在给定智能设备连接和系统功率控制方案的情况下，对约束条件下的总容量目标函数中的中继无人机的部署位置DU进行优化，此时速率表达式为：
Figure BDA0002268465760000111
其中，
Figure BDA0002268465760000112
Figure BDA0002268465760000113
Figure BDA0002268465760000114
进一步地，问题可以转化为
Figure BDA0002268465760000115
s.t.
Figure BDA0002268465760000116
Figure BDA0002268465760000117
Figure BDA0002268465760000118
Figure BDA0002268465760000119
在本发明实施例中，转化后的问题是一个非凸优化问题，需要对其进行近似凸逼近转化为一个凸优化问题，可通过CVX工具箱有效地解决，得到中继无人机的部署方案。
最后，根据上述实施例提供的两个优化问题进行联合迭代，进而得到全局最优解，即得到系统总容量最优资源分配方案。
步骤103，根据所述系统总容量最优资源分配方案，对空天地远程物联网络的资源分配方案进行调整。
本发明实施例提供的一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，根据形成的资源分配问题，提出联合智能设备连接、系统功率控制、中继无人机部署的优化方法，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优资源分配方案，从而增大系统总容量。
图3为本发明实施例提供的基于空天地远程物联网络的资源分配系统的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供了一种基于空天地远程物联网络的资源分配系统，包括效用构建模块301、处理模块302和资源分配调整模块303，其中，效用构建模块301用于根据地面智能设备通过中继无人机将信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；处理模块302用于根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量最优智能设备连接方案、系统功率控制方案、中继无人机部署方案；资源分配调整模块303，用于根据所述系统资源分配方案，对空天地远程物联网络的三个子方案进行调整。
本发明实施例提供的一种基于空天地远程物联网络的资源分配系统，根据形成的资源分配问题，提出联合智能设备连接、系统功率控制、中继无人机部署的优化方法，获取在若干限制条件下的空天地远程物联网络下的最优资源分配方案，从而增大系统总容量。
本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图4为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图4，该电子设备可以包括：处理器(processor)401、通信接口(Communications Interface)402、存储器(memory)403和通信总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过通信总线404完成相互间的通信。处理器401可以调用存储器403中的逻辑指令，以执行如下方法：根据地面智能设备通过中继无人机将信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量最优智能设备连接方案、系统功率控制方案、中继无人机部署方案；根据所述系统资源分配方案，对空天地远程物联网络的三个子方案进行调整。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、地面智能设备通过中继无人机将信息传递至低轨卫星，构建系统总容量目标函数；
S2、根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量的地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果；
S3、对所述地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果进行优化，获取系统总容量最优的地面智能设备最终连接关系、系统功率最终控制结果、中继无人机最终部署结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，其特征在于，利用线性规划、拉格朗日对偶分解法、近似凸逼近方法，对所述地面智能设备初步连接关系、系统功率初步控制结果、中继无人机初步部署结果进行优化。
3.根据权利要求1所述的一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，其特征在于，所述系统总容量目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量。
4.根据权利要求1～3之一所述的一种基于空天地远程物联网络的资源分配方法，其特征在于，所述地面智能设备通过中继无人机至少将位置信息传递至低轨卫星。
5.一种基于空天地远程物联网络的资源分配系统，其特征在于，包括：
效用构建模块，用于根据地面智能设备、中继无人机、低轨卫星，构建系统总容量目标函数；
处理模块，用于根据所述系统总容量目标函数，获取系统总容量的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果；
资源分配调整模块，用于根据所述处理模块输出的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果，对空天地远程物联网络进行调整。
6.根据权利要求5所述的一种基于空天地远程物联网络的资源分配系统，其特征在于，所述处理模块利用线性规划、拉格朗日对偶分解法、近似凸逼近方法，获取系统总容量的地面智能设备连接关系、系统功率控制结果、中继无人机部署结果。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于空天地远程物联网络的资源分配系统，其特征在于，所述系统总容量目标函数中约束条件的二元变量松弛为连续变量。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时，实现权利要求1～3之一所述方法的步骤。
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